铁道车辆动力学模型课件.ppt

1、1第七章第七章 车辆系统动力学结构模型车辆系统动力学结构模型第一节第一节 模型化原则模型化原则第二节第二节 车辆系统振动自由度车辆系统振动自由度第三节第三节 系统数学模型系统数学模型2总体原则总体原则：根据不同的研究目的，实行最为适当：根据不同的研究目的，实行最为适当的近似化。的近似化。动力学研究目的多种多样，但不论哪种情况，从动力学研究目的多种多样，但不论哪种情况，从整体的简要研究到局部的详细研究，都随着各自整体的简要研究到局部的详细研究，都随着各自要求的精度，模型化程度各不相同。对于能够做要求的精度，模型化程度各不相同。对于能够做到何种程度的近似化进行判断时，首先必须从力到何种程度的近似化

2、进行判断时，首先必须从力的传递、能量的传递和预想可能发生的现象开始的传递、能量的传递和预想可能发生的现象开始是极其重要的。是极其重要的。模型化总体原则模型化总体原则3第四章 车辆系统动力学模型模型化基本原则模型化基本原则忽略影响程度较小的因素忽略轮轨相互之间影响关系线性化与非线性化处理集中质量化部件与弹簧装置系统模型化4u 模型化时，应该忽略一些对产生问题现象不发生影响的因素和影响很小的因素。u 出现很多无法判断的情况时（模型化初期），应尽量多考虑一些因素，然后考察各因素的影响度，最后选择一些必要因素进行模型化。忽略影响程度较小的因素5忽略轮轨相互之间影响关系u 车辆在轨道上运行时，轨道会因受

3、到轮轨作用力而产生变形，同时车辆又将受到轨道变形的影响，这样车辆和轨道之间就会形成一个相互作用，相互影响的系统。u 但是，根据不同的研究目的，往往可以将这种相互影响仅仅看作单方向的影响就足以满足研究目的要求。6线性化与非线性化处理u 如果可以进行适当的线性化，又不影响课题的本质，则可使以后的处理变得非常简单，并进行有效地推测研究。u 关于线性化，既有通过对位移与动力特性和速度与动力特性之间的平衡点出发，还有从能量角度出发，计算出等效常数的方法来实现。u 模型中有些特性则需要非线性处理方能得到更为准确的振动结果，如轮轨接触关系、横向止挡、摩擦式减振器和液压式减振器的阻尼特性等。u 对某些部件是线

4、性化还是非线性化，需要作较为全面地权衡。7u 建立用于研究车辆或列车特性的数学模型时，系统中除弹性元件外的各个部件如车体、构架、轮对等都视为刚体，只有在分析其结构弹性振动或弹性变性时才考虑其弹性。u 严格上说，构成车辆的各个要素都是质量分配的系统，模型化时常常将其近似为一个质量集中的集中要素系统。u 但在评价由车体的弹性振动而引起的乘坐舒适度问题时，则必须将车体作为一个分布质量系统，来考虑其弯曲弹性振动问题。集中质量化8部件与弹簧装置系统模型化u 车辆的轮对、转向架、车体结合的部位，实际上有轴箱弹簧、空气弹簧、减振器等，但这些部件的特性通常等效为弹簧与减振器。u 空气弹簧除了有弹性作用外，还有

5、具有减衰作用，因此可视为弹簧与减振器的并列系统。u 各主要联结部件可简单视为线性，在进行详细解析中，要考虑松动与间隙的存在、弹簧的非线性特性、减振器摩擦特性、可动部分的挡块等非线性特性。9第二节第二节 车辆系统垂向模型车辆系统垂向模型1.模型发展过程2.车辆数学模型101.车辆数学模型及发展过程1112131415第四章 车辆系统动力学模型c(t)VMCIcyKtzZc(t)Mt Ityt2(t)KhP1(t)CtzCtzKtzMt Ityt1(t)Zt1(t)Zt2(t)Z01(t)Z02(t)Z03(t)Z04(t)P2(t)P3(t)P4(t)CpzKpzZw1(t)Zw2(t)Zw3(

6、t)Zw4(t)16Fw(1)Fw(2)Fw(3)Fw(4)Fp(1)Fp(2)Fp(4)Fp(3)Mc.g Fs(2)Fs(1)Mb.g Mb.g 垂向模型车辆部件受力分析17第三节 车辆系统垂向横向动力学模型u模型自由度u模型结构图u模型拓扑图u模型作用力18四轴客车模型运动自由度19客车模型俯视图客车模型俯视图XYYc(t)c(t)MwIwzMc Iczw2(t)t1(t)Yt1(t)Mt ItzMwIwzw1(t)CtxKtxKtyCtyCpyKpyCpxKpx20客车模型正视图客车模型正视图Mc IcxYc(t)c(t)YKtzCpvZrL(t)MwMsMbZc(t)CtzYw(t)

7、Zw(t)w(t)YrL(t)rL(t)ZrR(t)YrR(t)rR(t)KphCphKpvYs(t)s(t)Zs(t)CbhKbhKbvCbvMbKwCwCfvKfvKfvCfvdsdsddLsHcBHBtHtwIwxJsKpzCpzKpyCpyKtyCtyKtyCtyCtzKtzKpyCpyKpzCpzdwdwMt ItxZt(t)Yt(t)t(t)212931303234363335171921231820222425,2726,289,11,13,1510,12,14,161,3,5,72,4,6,81-8 轮轨力9-16 一系悬挂力17-20 二系弹簧阻尼力21-24 横向减振器阻尼

8、力25-28 抗蛇行减振器阻尼力29-32 横向止挡力33-36 牵引拉杆力客车系统动力学模型拓扑图（侧视）221,23,45,67,89,1011,1215,1613,1417183325292134302226282432362331273519201-8 轮轨力 9-16 一系悬挂力17-20 中央悬挂力 21-24 横向减振器阻尼力25-28 抗蛇行减振器阻尼力 29-32 横向止挡力33-36 牵引拉杆力客车系统动力学模型拓扑图（正视）23力作用界面作用力备注名称坐标系中投影方向车体与摇枕界面心盘旁承力心盘回转力矩垂向适用于普通客车转向架或部分提速客车转向架旁承力垂向旁承回转力矩垂向

9、中央悬挂界面空气弹簧力中央空气弹簧力纵向、横向、垂向空气弹簧节流孔垂向垂向减振器阻尼力垂向横向减振器阻尼力横向抗蛇行减振器阻尼力纵向抗侧滚纽杆力矩纵向横向止挡力横向牵引拉杆力纵向轴箱悬挂界面一系悬挂力轴箱弹簧力垂向轴箱定位装置力纵向、横向减振器阻尼力垂向轮轨界面轮轨力法向力纵向、横向、垂向蠕滑力纵向、横向、垂向蠕滑力矩纵向、横向、垂向客车系统作用力24四轴货车模型运动自由度25货车模型俯视图货车模型俯视图B1(t)XtL1(t)tL1(t)XYCtyYc(t)c(t)YtL1(t)KtyMt ItzMBIBzMwIwzMwIwzMc Iczw2(t)w1(t)CtyKtyMt ItztR1(t

10、)YtR1(t)XtR1(t)26货车模型正视图货车模型正视图Mc IcxYc(t)c(t)YYtL(t)横向间隙yKtyKtzCpvZrL(t)MwMsMbZc(t)CtyCtzYtR(t)Yw(t)Zw(t)w(t)YrL(t)rL(t)ZrR(t)YrR(t)rR(t)KphCphKpvYs(t)s(t)Zs(t)CbhKbhKbvCbvMbKwCwCfvKfvKfvCfvdsdsdwdwddLsHcBHBtHtwIwxJs27第四章 车辆系统动力学模型货车系统动力学模型拓扑图（侧视）轮轨力9-16 轴箱力17-20 摇枕侧架力21-22 心盘力矩23-26 旁承力和力矩27-28 交叉

11、拉杆力23,2417,1918,2021,2225,269,11,13,1510,12,14,161,3,5,72,4,6,827,28侧架摇枕车体轮对28 轮轨力 9-16 轴箱力17-20 摇枕侧架力 21-22 心盘力23-26 旁承力 27-28 交叉拉杆力25,2623,2419,2017,18222113,1415,1611,129,107,85,63,41,227,28货车系统动力学模型拓扑图（正视）2930系统动力学模型数学描述u 动量定理u 振动方程311 动量与角动量定理动量与角动量定理32（1）速度与动量速度与动量kIjIiIHkmvjmvimvLkvjvivvkjizz

12、yyxxzyxzyxzyx :刚体的角动量刚体的角动量刚体的动量刚体的动量刚体的速度矢量刚体的速度矢量刚体的角速度刚体的角速度0vv)(0 aa刚体速度：刚体速度：刚体加速度：刚体加速度：33（2）动量定律动量定律 ()()()xyzxxyyzzxxzyyzyyxzxzzzyxyxdLmv imv jmv kLFdtdHIiIjIkHMdtIIIiIIIjIIIkM 34（3 3）刚体动能刚体动能)0(T)0(22121 )(21 )()(21LLdmrrErdmrrT)222(21222yxxyxzzxzyyzzzzyyyxxxJJJJJJT2221()()2xyzTABCOxyz（）为主轴

13、坐标系35（1）、轮对）、轮对（2）、构架）、构架（3）、车体）、车体2.2.系统模型数学描述系统模型数学描述36FPLYFPLZFPLXOFRYFLYFLXFLZFRXYL2DSYRFRZFPRZFPRXFPRY作用于轮对上的力37轮对角位移与角速度轮对角位移与角速度轮对的侧滚角、摇头角很小。由此有基本假设：0sin sin1cos,1cossin,sin wzwywwsexwRv 轮对角速度：轮对角速度：轮对角位移：轮对角位移：38第四章 车辆系统动力学模型横向运动：)(wdwpyrpylyrylwwgmFFFFym 垂向运动：gmFFFFzmwpzrpzlzrzlww 侧滚运动：)()(

14、)()()()(xrxlwppyrpylwllyrwrryrppzlpzrlzlrzrwwwwysewwxMMdFFYRFYRFdFFYFYFRVII 轮对运动方程轮对运动方程39轮对扰动：yrylrxrlxlwwyMMRFRFI 摇头运动：)()()()()(1zrzlwryrlylrxrlxlwppyrpylppxrpxlsewwwywwwzMMYFYFYFYFdFFdFFIRVI 40（3 3）车体运动方程）车体运动方程41横向运动 )(2()2()2()1()2()1(cdbcsylsylsyrsyrcbcMMgFFFFyMM 垂向运动 )2()2()2()1()2()1(bcszls

15、zlszrszrcbcMMgFFFFzMM 侧滚运动 )22()2()1()2()1()2()1()2()1()2()1()2()1(2cssyrsyrsylsylcbsylsylsyrsyrsszlszlszrszrccbbbxcxdFFFFhFFFFdFFFFhMII 42第四章 车辆系统动力学模型点头运动：)22()1()1()2()2()2()1()2()1()1()1()2()2(22ccsxlsxrsxlsxrcbsxlsxlSsxrsxrcszlszrszlszrccbbcbcylFFFFhFFFFlFFFFhMlMI 摇头运动：1)2()2()2()1()1()2()1()2(

16、)1(2csylsyrsylsyrssxrsxrsxlsxlctccbczlFFFFdFFFFRddVlMI 43（1）、轮对）、轮对3.3.模型界面化模型界面化44（2 2）构架）构架4519 m2.5 ms=01.252.510.75 1920.2521.5m位置确定4647第四章 车辆系统动力学模型48495051第四章 车辆系统动力学模型52第四章 车辆系统动力学模型53几点补充曲线曲线超高常见轨道模型54R=R=RCurveR=RCurve55SuperelevationSuperelevation uRotation about inner railRotation about c

17、enterlineSuperelevation uCenterline is elevatedReference length=railbase5657模型1c(t)VMCIcyKtzZc(t)Mt Ityt2(t)KhP1(t)mr EI8+-8CpvMsMbKwCwCtzCtzKtzMt Ityt1(t)Zt1(t)Zt2(t)Z01(t)Z02(t)Z03(t)Z04(t)P2(t)P3(t)P4(t)KpvCbvKbvKfvCfvZr(x,t)Zsi(t)Zbi(t)CpzKpzZw1(t)Zw2(t)Zw3(t)Zw4(t)轨道动力学模型58前后左右FbbliFbbriFbs(L,R

18、)iFbfiMbiMbiMbiZb(L,R)iFbLRiFbRLiZbLiZbRiFbfiFbfiFbsLiFbsRi道床模型5912模型2FbwriFbwliFbfifsbiMbiZbi道床60钢轨模型LFrsiFrs1XrOZrFrs2VFrsN61)()()()()()(),(),(12244tntnNiwjwrjirsirrrrrxxtFxxtFxxtFttxumxtxuIE sin2)(lxklmxUrk )()(),(1MNikkrtTxUtxu )()()()()()()(14tnktnwkwrjNiikrsikrkxUFxUtFxUtFtTlkmEItT 钢轨振动方程62)()()(),()(),(),(),(E12244sNIiirsvibsbssssssyytFtztyzktzttyzcttyzlMxtyzINIibisksrsvikssksssksskNIibisksrsvikssksskFyZMFtTMlIElktTMlctTFyZMFtTMlktTMlctT1413)k ()()()()(1,2)(k )()()()(轨枕振动方程